KR100668309B1 - Manufacturing method of nozzle plate - Google Patents
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Abstract
잉크 액적의 토출 방향을 제어할 수 있는 구조를 가진 노즐 플레이트와 이를 구비한 잉크젯 프린트헤드 및 노즐 플레이트의 제조 방법이 개시된다. 개시된 노즐 플레이트에는 적어도 하나의 노즐이 관통 형성되어 있으며, 상기 노즐의 둘레에는, 노즐 내의 유체를 부분적으로 가열하여 그 부분의 그 표면장력을 변화시킴으로써 노즐을 통해 토출되는 유체의 토출 방향을 편향시키는 히터가 배치된다. 상기 히터는 노즐과 소정 간격을 두고 노즐의 둘레에 배치된 적어도 두 개의 세그먼트로 분할되며, 상기 적어도 두 개의 세그먼트 각각에는 적어도 두 개의 세그먼트 각각을 독립적으로 구동시키기 위한 전극이 연결된다. 그리고, 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 다수의 압력 챔버를 포함하는 잉크 유로가 형성된 유로 플레이트와, 유로 플레이트의 상부에 형성된 압전 액츄에이터와, 유로 플레이트의 저면에 부착된 상기 노즐 플레이트를 구비한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 토출 방향을 여러 방향으로 제어할 수 있게 되어, 낮은 CPI를 가진 프린트헤드를 이용하면서도 높은 DPI로 화상을 인쇄할 수 있게 된다. Disclosed are a nozzle plate having a structure capable of controlling the ejection direction of ink droplets, and an inkjet printhead and a method of manufacturing the nozzle plate. At least one nozzle is formed through the disclosed nozzle plate, and a heater is arranged around the nozzle to deflect the discharge direction of the fluid discharged through the nozzle by partially heating the fluid in the nozzle to change its surface tension. Is placed. The heater is divided into at least two segments arranged around the nozzles at predetermined intervals from the nozzle, and each of the at least two segments is connected with an electrode for independently driving each of the at least two segments. The disclosed inkjet printhead includes a flow path plate in which an ink flow path including a plurality of pressure chambers is formed, a piezoelectric actuator formed on the top of the flow path plate, and the nozzle plate attached to a bottom surface of the flow path plate. According to the present invention, it is possible to control the discharge direction of the ink droplets discharged through the nozzle in various directions, so that the image can be printed at a high DPI while using a printhead having a low CPI.
Description
도 1은 종래의 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a general configuration of a conventional piezoelectric drive inkjet printhead.
도 2와 도 3은 낮은 CPI의 프린트헤드를 이용하여 높은 DPI의 화상을 인쇄하는 종래의 두 가지 방법을 설명하기 위한 도면들이다.2 and 3 illustrate two conventional methods for printing a high DPI image using a low CPI printhead.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도이다.4 is a vertical sectional view of the inkjet printhead according to the preferred embodiment of the present invention.
도 5a는 도 4에 도시된 노즐 플레이트에 마련된 히터의 일 예를 보여주는 부분 확대 평면도이다. 5A is a partially enlarged plan view illustrating an example of a heater provided in the nozzle plate illustrated in FIG. 4.
도 5b는 도 4에 도시된 노즐 플레이트에 마련된 히터의 다른 예를 보여주는 부분 확대 평면도이다. 5B is a partially enlarged plan view illustrating another example of the heater provided in the nozzle plate illustrated in FIG. 4.
도 6a 내지 도 6c는 도 5a에 도시된 본 발명에 따른 노즐 플레이트에 의한 잉크 액적의 편향을 설명하기 위한 단면도들이다. 6A to 6C are cross-sectional views for explaining the deflection of ink droplets by the nozzle plate according to the present invention shown in FIG. 5A.
도 7은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 노즐 플레이트에 의해 높은 해상도의 화상을 인쇄하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a method of printing a high resolution image by the nozzle plate of the inkjet printhead according to the present invention.
도 8a 내지 도 8f는 도 4에 도시된 본 발명에 따른 노즐 플레이트의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 단면도들이다. 8A to 8F are cross-sectional views showing a method of manufacturing a nozzle plate according to the present invention shown in FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100...노즐 플레이트 110...기판100 ...
120...전극 130...절연층120
140...히터 141,142,143,144...히터 세그먼트140 ... heater 141,142,143,144 ... heater segment
150...노즐 200...유로 플레이트 150 ... Nozzle 200 ... Euro Plate
202...매니폴드 203...리스트릭터 202 ... Manifold 203 ... Lister
204...압력 챔버 205...댐퍼204
210...제1 유로 플레이트 212...절연막210 ... 1st Euro
220...제2 유로 플레이트 300...압전 액츄에이터220.2nd
310...하부 전극 320...압전막310
330...상부 전극 400...용지330 ...
401,402,403...도트 401,402,403 ... dot
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 토출 방향을 제어할 수 있는 구조를 가진 노즐 플레이트와 이를 구비하여 높은 해상도의 화상을 인쇄할 수 있는 잉크젯 프린트헤드 및 그 노 즐 플레이트의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an inkjet printhead, and more particularly, to a nozzle plate having a structure capable of controlling the ejection direction of ink droplets ejected through a nozzle, and an inkjet printhead having the same to print a high resolution image. And a method for producing the nozzle plate.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 용지나 직물 등 인쇄 대상물 상의 원하는 위치에 토출시켜서 인쇄 대상물의 표면에 소정 색상의 화상을 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다. In general, an inkjet printhead is an apparatus for printing an image of a predetermined color on the surface of a printing object by ejecting a small droplet of printing ink to a desired position on the printing object such as paper or fabric. Such inkjet printheads can be classified into two types according to ink ejection methods. One is a thermal drive inkjet printhead, and the other is a piezoelectric drive inkjet printhead.
상기 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크를 짧은 시간내에 가열함에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크 챔버 내에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다. 그런데, 이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 버블을 형성시키기 위해 잉크를 수백 ℃ 이상으로 가열하여야 하므로, 에너지 소모가 많고, 프린트헤드 자체에 열적 스트레스가 많이 가해지며, 가열된 잉크의 냉각에 비교적 많은 시간이 소요되어 구동 주파수를 높이는데 한계가 있다. The ink droplet ejection mechanism in the thermally driven inkjet printhead will be described below. When a pulse-type current flows to a heater made of a resistive heating element, as the heat is generated in the heater and the ink adjacent to the heater is heated in a short time, bubbles are generated as the ink is boiled, and the bubbles generated are expanded and filled in the ink chamber. Pressure is applied to the ink. As a result, the ink near the nozzle is discharged out of the ink chamber in the form of droplets through the nozzle. By the way, in such a heat-driven inkjet printhead, the ink must be heated to a few hundred degrees Celsius or more to form bubbles, which consumes a lot of energy, exerts a lot of thermal stress on the printhead itself, and cools the heated ink. It takes a relatively long time to increase the driving frequency.
상기 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력으로 잉크를 토출시키는 방식의 잉크젯 프린트헤드로서, 도 1에 그 일반적인 구성이 도시되어 있다. The piezoelectric drive-type inkjet printhead is an inkjet printhead in which ink is discharged at a pressure applied to the ink due to deformation of the piezoelectric body, and a general configuration thereof is shown in FIG.
도 1을 참조하면, 유로 플레이트(10)에는 잉크 유로를 구성하는 매니폴드 (13), 다수의 리스트릭터(12) 및 다수의 압력 챔버(11)가 형성되어 있으며, 노즐 플레이트(20)에는 다수의 압력 챔버(11) 각각에 대응하는 다수의 노즐(22)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 유로 플레이트(10)의 상부에는 압전 액츄에이터(40)가 마련되어 있다. 상기 매니폴드(13)는 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(11) 각각으로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(12)는 매니폴드(13)로부터 압력 챔버(11) 내부로 잉크가 유입되는 통로이다. 상기 다수의 압력 챔버(11)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 매니폴드(13)의 일측 또는 양측에 배열되어 있다. 이러한 압력 챔버(11)는 압전 액츄에이터(40)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. 이를 위해, 유로 플레이트(10)의 압력 챔버(11) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(40)에 의해 변형되는 진동판(14)의 역할을 하게 된다. Referring to FIG. 1, a
상기 압전 액츄에이터(40)는 유로 플레이트(10) 위에 순차 적층된 하부 전극(41)과, 압전막(42)과, 상부 전극(43)으로 구성된다. 그리고, 상기 하부 전극(41)과 유로 플레이트(10) 사이에는 절연막으로서 실리콘 산화막(31)이 형성되어 있다. 하부 전극(41)은 실리콘 산화막(31)의 전 표면에 형성되며, 공통 전극의 역할을 하게 된다. 압전막(42)은 압력 챔버(11)의 상부에 위치하도록 하부 전극(41) 위에 형성된다. 상부 전극(43)은 압전막(42) 위에 형성되며, 압전막(42)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다. The
상기한 바와 같은 구성을 가진 종래의 잉크젯 프린트헤드를 이용하여 화상을 인쇄하는 데 있어서, 화상의 해상도는 인치당 노즐의 수에 크게 영향을 받는다. 여 기에서, 인치당 노즐의 수는 일반적으로 CPI(Channel per Inch)로 나타내어지며, 화상의 해상도는 일반적으로 DPI(Dot per Inch)로 나타내어진다. 그런데, 종래의 잉크젯 프린트헤드에 있어서, CPI의 향상은 반도체 기판의 미세 가공 기슬 및 액츄에이터의 발전에 좌우되며, 이러한 기술의 발전 속도는 점차 보다 높은 해상도의 화상을 요구하는 최근의 추세를 충분히 만족시키지 못하고 있다. In printing an image using a conventional inkjet printhead having the above configuration, the resolution of the image is greatly influenced by the number of nozzles per inch. Here, the number of nozzles per inch is generally expressed in CPI (Channel per Inch), and the resolution of the image is generally expressed in Dot per Inch (DPI). However, in conventional inkjet printheads, the improvement in CPI is dependent on the development of microfabrication gases and actuators of semiconductor substrates, and the speed of development of these technologies does not sufficiently satisfy the recent trend of demanding higher resolution images. I can't.
따라서, 종래에는 낮은 CPI의 프린트헤드를 이용하여 높은 DPI의 화상을 인쇄하는 여러 가지 방법이 이용되고 있으며, 그 두 가지 예가 도 2와 도 3에 도시되어 있다. Accordingly, various methods of printing a high DPI image using a low CPI printhead are conventionally used, and two examples thereof are illustrated in FIGS. 2 and 3.
그 한 가지 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 프린트헤드(50)에 다수의 노즐(51, 52)을 2열 이상으로 배열하는 것이다. 이 때, 제1 열에 배열된 노즐들(51)과 제 2열에 배열된 노즐들(52)은 서로 엇갈리도록 배치된다. 이와 같이 노즐들(51, 52)이 어레이 형태로 배열된 프린트헤드(50)를 사용하여, 제1열에 배열된 노즐들(51)로부터 토출되는 잉크 액적들과 제2 열에 배열된 노즐들(52)로부터 토출되는 잉크 액적들이 하나의 라인을 형성하도록 화상을 인쇄한다. 그러면, 용지(60) 상에는 제1 열의 노즐들(51)에 의한 도트들(61)와 제2 열의 노즐들(52)에 의한 도트들(62)이 하나의 라인 상에 서로 번갈아 형성된다. 따라서, 용지(60) 상에 형성되는 화상의 DPI는 프린트헤드(50)의 CPI에 비해 2배가 되는 것이다. One method is to arrange a plurality of
그러나, 이와 같은 프린트헤드(50)에 있어서, 노즐들(51, 52)을 다수의 열로 정확한 위치에 배열하여야 하므로, 매우 정밀한 정렬 시스템을 필요로 하며, 프린트헤드(50)의 크기가 커지게 된다. 따라서, 프린트헤드(50)의 가격이 비싸지는 단 점이 있다. However, in such a
다른 한 가지 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 낮은 CPI를 가진 프린트헤드(70)를 용지(80)에 대해 소정 각도(θ)로 기울여서 인쇄하는 방법이다. 그러면, 용지(80) 상에는 프린트헤드(70)에 형성된 노즐들(71)의 간격보다 좁은 간격의 도트들(81)이 형성된다. 따라서, 용지(80) 상에 형성되는 화상의 DPI는 프린트헤드(70)의 CPI에 비해 높아지게 되는 것이다. 이 경우, 용지(80)에 대한 프린트헤드(70)의 강사 각도(θ)가 커질수록 DPI는 높아지게 되지만, 이에 따라 인쇄 면적이 줄어들게 되는 단점이 있다. 만약, 동일한 인쇄 면적을 얻고자 한다면 프린트헤드(70)의 길이가 길어져야 하는 단점이 있다. Another method is a method of printing by tilting a
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 노즐 둘레에 마련되어 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 토출 방향을 제어하는 히터를 가진 노즐 플레이트와 이를 구비함으로써 높은 해상도의 화상을 인쇄할 수 있는 잉크젯 프린트헤드 및 그 노즐 플레이트의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, in particular, a nozzle plate having a heater provided around the nozzle to control the ejection direction of the ink droplets discharged through the nozzle and having a high resolution image It is an object of the present invention to provide a printable inkjet printhead and a method of manufacturing the nozzle plate thereof.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 노즐 플레이트는, The nozzle plate according to the present invention for achieving the above technical problem,
유체를 토출하기 위한 적어도 하나의 노즐이 관통 형성된 노즐 플레이트에 있어서, In the nozzle plate through which at least one nozzle for discharging fluid is formed,
상기 노즐의 둘레에는, 상기 노즐 내의 유체를 부분적으로 가열하여 그 부분 의 그 표면장력을 변화시킴으로써 상기 노즐을 통해 토출되는 상기 유체의 토출 방향을 편향시키는 히터가 배치된 것을 특징으로 한다. The heater is arranged around the nozzle to partially deflect the fluid discharged through the nozzle by partially heating the fluid in the nozzle to change its surface tension.
본 발명에 있어서, 상기 히터는 상기 노즐과 소정 간격을 두고 상기 노즐의 둘레에 배치된 적어도 두 개의 세그먼트로 분할될 수 있으며, 상기 적어도 두 개의 세그먼트 각각에는 상기 적어도 두 개의 세그먼트 각각을 독립적으로 구동시키기 위한 전극이 연결될 수 있다. 바람직하게는, 상기 히터는 상기 노즐의 둘레를 따라 90°간격으로 분할된 네 개의 세그먼트로 이루어진다. In the present invention, the heater may be divided into at least two segments disposed around the nozzle at predetermined intervals from the nozzle, and each of the at least two segments independently drives each of the at least two segments. Electrodes for can be connected. Preferably, the heater consists of four segments divided at 90 ° intervals along the circumference of the nozzle.
본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트는, 상기 노즐이 관통되어 형성된 기판과, 상기 기판 상에 형성된 상기 전극 및 히터와, 상기 전극과 상기 히터를 덮도록 상기 기판 상에 형성된 절연층을 구비할 수 있다. In the present invention, the nozzle plate may include a substrate formed through the nozzle, the electrode and the heater formed on the substrate, and an insulating layer formed on the substrate to cover the electrode and the heater. .
여기에서, 상기 기판은 인쇄회로기판용 베이스 기판으로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 히터는 저항발열체, 예컨대 TaAl 또는 TaN 로 이루어질 수 있고, 상기 전극은 구리(Cu)로 이루어질 수 있으며, 상기 절연층은 PSR(Photo Solder Resist)로 이루어질 수 있다. Here, the substrate is preferably made of a base substrate for a printed circuit board, the heater may be made of a resistance heating element, such as TaAl or TaN, the electrode may be made of copper (Cu), the insulating layer is PSR (Photo Solder Resist).
그리고, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는, And, the inkjet printhead according to the present invention for achieving the above technical problem,
토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버를 포함하는 잉크 유로가 형성된 유로 플레이트; A flow path plate having an ink flow path including a plurality of pressure chambers in which ink to be discharged is filled;
상기 유로 플레이트의 상부에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터; 및 A piezoelectric actuator formed on an upper portion of the flow path plate to provide a driving force for ejecting ink to each of the plurality of pressure chambers; And
상기 유로 플레이트의 저면에 부착되며, 상기 다수의 압력 챔버로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐이 관통 형성된 노즐 플레이트;를 구비하며, A nozzle plate attached to a bottom surface of the flow path plate and having a plurality of nozzles penetrated therein for ejecting ink from the plurality of pressure chambers,
상기 다수의 노즐 각각의 둘레에는, 상기 각각의 노즐 내의 잉크를 부분적으로 가열하여 그 부분의 그 표면장력을 변화시킴으로써 상기 각각의 노즐을 통해 토출되는 상기 잉크 액적의 토출 방향을 편향시키는 히터가 배치된 것을 특징으로 한다. Around each of the plurality of nozzles, a heater is arranged which deflects the ejection direction of the ink droplets ejected through the respective nozzles by partially heating the ink in the nozzles and changing the surface tension of the portions. It is characterized by.
또한, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 노즐 플레이트의 제조 방법은, In addition, the manufacturing method of the nozzle plate according to the present invention for achieving the above technical problem,
유체를 토출하기 위한 적어도 하나의 노즐이 관통 형성된 노즐 플레이트의 제조 방법에 있어서, In the manufacturing method of the nozzle plate through which at least one nozzle for discharging a fluid,
기판 상에 소정 패턴으로 전극을 형성하는 단계; Forming electrodes on the substrate in a predetermined pattern;
상기 기판 상에 상기 전극을 덮도록 제1 절연층을 형성하는 단계; Forming a first insulating layer on the substrate to cover the electrode;
상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 노즐이 형성될 부위의 둘레에 상기 전극의 일부를 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계; Patterning the first insulating layer to form a trench that exposes a portion of the electrode around a portion where the nozzle is to be formed;
상기 트렌치 내에 저항발열체를 증착하여 히터를 형성하는 단계; Depositing a resistance heating element in the trench to form a heater;
상기 제1 절연층 위에 상기 히터를 덮도록 제2 절연층을 형성하는 단계; 및 Forming a second insulating layer on the first insulating layer to cover the heater; And
상기 기판, 제1 절연층 및 제2 절연층을 관통하도록 가공하여 상기 히터 안쪽에 노즐을 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다. And forming a nozzle inside the heater by processing the substrate, the first insulating layer, and the second insulating layer to penetrate.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면 상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, when one layer is described as being on top of a substrate or another layer, the layer may be present over and in direct contact with the substrate or another layer, with a third layer in between.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도이고, 도 5a는 도 4에 도시된 노즐 플레이트에 마련된 히터의 일 예를 보여주는 부분 확대 평면도이며, 도 5b는 도 4에 도시된 노즐 플레이트에 마련된 히터의 다른 예를 보여주는 부분 확대 평면도이다. 4 is a vertical cross-sectional view of an inkjet printhead according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 5A is a partially enlarged plan view showing an example of a heater provided in the nozzle plate shown in FIG. 4, and FIG. 5B is shown in FIG. 4. A partially enlarged plan view showing another example of a heater provided in the nozzle plate.
먼저 도 4와 도 5a를 함께 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는, 다수의 압력 챔버(204)를 포함하는 잉크 유로가 형성된 유로 플레이트(200)와, 상기 유로 플레이트(200)의 상부에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버(204) 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(300)와, 상기 유로 플레이트(200)의 저면에 부착되며 상기 다수의 압력 챔버(204)로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐(150)이 관통 형성된 노즐 플레이트(100)를 구비한다. First, referring to FIG. 4 and FIG. 5A, an inkjet printhead according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
상기한 잉크 유로는, 토출될 잉크가 채워지며 잉크를 토출시키기 위한 압력 변화를 발생시키는 다수의 압력 챔버(204)와, 도시되지 않은 잉크 도입구를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(204)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(202)와, 매니폴드(202)로부터 각각의 압력 챔버(204)로 잉크를 공급하기 위한 개별 유로인 리스트릭터(203)를 포함한다. 그리고, 압력 챔버(204)와 노즐 플레이트(100)에 형 성된 노즐(150) 사이에는 압전 액츄에이터(300)에 의해 압력 챔버(204)에서 발생된 에너지를 노즐(150)쪽으로 집중시키고 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(205)가 마련될 수 있다. 이러한 잉크 유로를 형성하는 구성요소들은 상기 유로 플레이트(200)에 형성된다. 그리고, 상기 유로 플레이트(200)의 상기 압력 챔버(204)의 상부벽을 이루는 부위는 압전 액츄에이터(300)의 구동에 의해 변형되는 진동판의 역할을 하게 된다. The ink flow path includes a plurality of
구체적으로, 상기 유로 플레이트(200)는 도시된 바와 같이 제1 유로 플레이트(210)와 제2 유로 플레이트(220)로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 유로 플레이트(210)의 저면에 상기 압력 챔버(204)가 소정 깊이로 형성된다. 상기 압력 챔버(204)는 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상을 가질 수 있다. Specifically, the
상기 제2 유로 플레이트(220)에 상기 매니폴드(202)가 형성된다. 상기 매니폴드(202)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 유로 플레이트(220)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성될 수도 있고, 제2 유로 플레이트(220)를 수직으로 관통하여 형성될 수도 있다. 그리고, 제2 유로 플레이트(220)에는 매니폴드(202)와 다수의 압력 챔버(204) 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 리스트릭터(203)가 형성된다. 상기 리스트릭터(203)도, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 유로 플레이트(220)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성될 수도 있고, 제2 유로 플레이트(220)를 수직으로 관통하여 형성될 수도 있다. 또한, 제2 유로 플레이트(220)에는 다수의 압력 챔버(204) 각각의 타단부에 대응되는 위치에 압력 챔버(204)와 노즐(150)을 연결하는 댐퍼(205)가 수직으로 관통 형성된다. The manifold 202 is formed on the second
한편, 위에서는 잉크 유로를 이루는 구성 요소들이 두 개의 유로 플레이트(210, 220)에 나뉘어져 배치된 것으로 도시되고 설명되었지만, 이러한 잉크 유로의 배치 구조는 단지 예시적인 것이다. 즉, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에는 다양한 구성의 잉크 유로가 마련될 수 있으며, 이러한 잉크 유로는 두 개의 유로 플레이트(210, 220)가 아니라 그 보다 많은 플레이트에 형성될 수도 있으며, 단지 하나의 유로 플레이트에 형성될 수도 있다. On the other hand, although the components constituting the ink flow path have been shown and described as being divided into two
상기 압전 액츄에이터(300)는, 압력 챔버(204)가 형성된 제1 유로 플레이트(210)의 상부에 형성되어, 상기 압력 챔버(204)에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 역할을 한다. 이러한 압전 액츄에이터(300)는, 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(310)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(320)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(330)을 구비하며, 하부 전극(310), 압전막(320) 및 상부 전극(330)이 제1 유로 플레이트(210) 위에 순차적으로 적층된 구조를 가진다. The
구체적으로, 상기 하부 전극(310)과 제1 유로 플레이트(210) 사이에는 절연막(212)이 형성된다. 상기 하부 전극(310)은 절연막(212)의 전 표면에 형성되며, 하나의 도전 금속 물질층으로 이루어질 수 있으나, Ti층과 Pt층의 두 개의 금속박막층으로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같이 Ti/Pt층으로 이루어진 하부 전극(310)은 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 아래의 제1 유로 플레이트(210)와 그 위에 형성되는 압전막(320) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산 방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다. 상기 압전막(320)은 하부 전극(310) 위에 형성되며, 압력 챔버(204)에 대응하는 위치에 배치된다. 상기 압전막(320)은 전압의 인가에 의해 변형되며, 그 변형에 의해 압력 챔버(204) 상부의 진동판을 휨 변형시키는 역할을 하게 된다. 이러한 압전막(320)은 압전물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 상기 상부 전극(330)은 압전막(320)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하는 것으로, 압전막(320) 위에 형성된다. In detail, an insulating
상기 노즐 플레이트(100)는 상기 제2 유로 플레이트(220)의 저면에 부착된다. 이러한 노즐 플레이트(100)에는 댐퍼(205)에 대응되는 위치에 노즐(150)이 관통 형성된다. 그리고, 상기 노즐(150)은, 출구쪽으로 가면서 점차 단면적이 감소하는 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다. The
그리고, 본 발명의 특징부로서, 상기 노즐 플레이트(100)는 상기 다수의 노즐(150) 각각의 둘레에 배치된 히터(140)와, 상기 히터(140)를 구동시키기 위한 전극(120)을 가진다. 구체적으로, 상기 노즐 플레이트(100)는, 상기 다수의 노즐(150)이 관통되어 형성된 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 형성된 히터(140) 및 전극(120)과, 상기 히터(140)와 전극(120)을 덮도록 상기 기판(110) 상에 형성된 절연층(130)을 구비한다. And, as a feature of the present invention, the
상기 기판(110)으로는 실리콘 웨이퍼 등의 여러 가지 기판이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 인쇄회로기판(PCB ; Printed Circuit Boaed)용 베이스 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 후술하는 바와 같이, 노즐 플레이트(100)를 보다 적은 비용으로 용이하게 제조할 수 있기 때문이다. Various substrates such as a silicon wafer may be used as the
상기 히터(140)는 상기 다수의 노즐(150) 각각의 둘레에 배치된다. 상기 히 터(140)는 저항발열체, 예컨대 TaAl 또는 TaN으로 이루어질 수 있다. 상기 히터(140)는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(150)과 소정 간격을 두고 상기 노즐(150)의 둘레에 배치된 두 개의 세그먼트(141, 142)로 분할된다. 상기 두 개의 세그먼트(141, 142) 각각은 도시된 바와 같이 원호 형상을 이루게 된다. 상기 두 개의 세그먼트(141, 142)는 독립적으로 구동되어 상기 노즐(150) 내의 잉크를 부분적으로 가열하게 된다. 이에 따라, 노즐(150) 내의 잉크 중 가열된 부분의 표면장력이 변화하게 되므로, 노즐(150)을 통해 토출되는 잉크 액적의 토출 방향이 편향된다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다. The
그리고, 상기 전극(120)은 도전성이 우수한 금속으로 이루어진다. 예컨대, 상기 전극(120)은 PCB 제조에 있어서 배선 물질로 주로 사용되는 구리(Cu)로 이루어질 수 있다. 상기 전극(120)은 상기 히터(140)의 두 개의 세그먼트(141, 142) 각각을 독립적으로 구동시킬 수 있도록, 도 5a에 도시된 바와 같이 두 개의 세그먼트(141, 142) 각각에 연결되는 패턴으로 형성된다. 그러나, 상기 전극(120)은 도 5a에 도시된 패턴이 아니더라도 두 개의 세그먼트(141, 142) 각각에 연결될 수 있는 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. In addition, the
상기 절연층(130)은 상기 기판(110) 상에 상기 히터(140)와 전극(120)을 덮도록 형성되어, 이들을 보호하고 절연시키는 역할을 한다. 이러한 절연층(130)으로는 여러 가지 절연 물질이 사용될 수 있으나, PCB 제조에 있어서 절연 물질로 주로 사용되는 PSR(Photo Solder Resist)로 이루어지는 것이 바람직하다. The insulating
도 5b는 도 4에 도시된 노즐 플레이트에 마련된 히터의 다른 예를 보여주는 부분 확대 평면도이다. 5B is a partially enlarged plan view illustrating another example of the heater provided in the nozzle plate illustrated in FIG. 4.
도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 플레이트(100)에 마련되는 히터(140)는 상기 노즐(150)의 둘레를 따라 90°간격으로 분할된 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144)로 이루어질 수 있다. 상기 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144) 각각은 도시된 바와 같이 원호 형상을 이루게 된다. 그리고, 상기 전극(120)은 상기 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144)를 독립적으로 구동시킬 수 있도록 도시된 바와 같이 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144) 각각에 연결되는 패턴으로 형성된다. 한편, 상기 전극(120)은 도 5b에 도시된 패턴이 아니더라도 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144) 각각에 연결될 수 있는 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5B, the
도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 노즐 플레이트(100)에 마련되는 히터(140)는 두 개의 세그먼트(141, 142) 또는 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144)로 분할된다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 히터(140)는 세 개 또는 다섯 개 이상의 세그먼트로 분할될 수도 있다. 5A and 5B, the
이하에서는, 도 6a 내지 도 6c를 참조하며, 도 5a에 도시된 두 개의 세그먼트로 분할된 히터를 가진 노즐 플레이트에 있어서 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 방향이 편향되는 메카니즘을 설명하기로 한다. Hereinafter, referring to FIGS. 6A to 6C, a mechanism in which the direction of the ink droplets ejected through the nozzle is deflected in the nozzle plate having the heater divided into two segments shown in FIG. 5A will be described.
먼저 도 6a를 참조하면, 상기 히터(140)의 제1 세그먼트(141)와 제2 세그먼트(142)에 전류가 공급되지 않으면, 제1 세그먼트(141)와 제2 세그먼트(142) 모두에서 열이 발생되지 않으므로, 노즐(150) 내의 잉크의 온도는 균일하다. 이 경우에 는 노즐(150) 내면에 대한 잉크의 접촉각이 균일하여, 도 6a에 도시된 바와 같이 볼록한 매니스커스(M)가 형성된다. 상기 압전 액츄에이터(300)의 구동에 의해 노즐(150) 내의 잉크에 압력이 가해지게 되면, 잉크는 액적(D)의 형태로 노즐(150)로부터 토출되는데, 이 때 잉크 액적(D)은 직진하게 된다. Referring first to FIG. 6A, if no current is supplied to the
다음으로 도 6b를 참조하면, 상기 히터(140)의 제1 세그먼트(141)에만 전류를 공급하게 되면, 제1 세그먼트(141)에서만 열이 발생하게 되므로 노즐(150) 내의 잉크 중 제1 세그먼트(141)에 인접한 부분만 가열된다. 이에 따라, 가열된 부분의 잉크의 점성과 표면장력이 낮아지게 되므로, 그 부분의 노즐(150) 내면에 대한 잉크의 접촉각이 작아지게 되어, 도 6b에 도시된 바와 같은 매니스커스(M)가 형성된다. 이 경우, 압전 액츄에이터(300)의 구동에 의해 노즐(150) 내의 잉크에 압력이 가해지게 되면, 노즐(150)로부터 토출되는 잉크 액적(D)의 방향은 오른쪽으로 편향된다. 이 때, 상기 히터(140)의 세그먼트들(141, 142)은 잉크의 표면장력을 변화시킬 수 있는 정도, 예컨대 수십 ℃ 정도로 잉크를 가열하면 되므로, 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 구비되는 버블 발생용 히터에 비해 에너지 소모가 훨씬 적다. Next, referring to FIG. 6B, when current is supplied only to the
다음으로 도 6c를 참조하면, 상기 히터(140)의 제2 세그먼트(142)에만 전류를 공급하게 되면, 제2 세그먼트(142)에서만 열이 발생하게 되므로 노즐(150) 내의 잉크 중 제2 세그먼트(142)에 인접한 부분만 가열된다. 이에 따라, 도 6c에 도시된 바와 같은 매니스커스(M)가 형성되어 노즐(150)로부터 토출되는 잉크 액적(D)의 방향은 왼쪽으로 편향된다. Next, referring to FIG. 6C, when current is supplied only to the
상기한 바와 같이, 노즐 플레이트(100)에 마련된 히터(140)의 두 개의 세그먼트들(141, 142)을 선택적으로 구동시키게 되면, 노즐(150)을 통해 토출되는 잉크 액적(D)의 방향을 좌측 또는 우측으로 편향시킬 수 있게 된다. 그리고, 도 5b에 도시된 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144)로 분할된 히터(140)를 가진 노즐 플레이트(100)에 의하면, 노즐(150)을 통해 토출되는 잉크 액적의 방향을 보다 다양하게 변화시킬 수 있다. As described above, when the two
한편, 상기한 구성을 가지는 본 발명에 따른 노즐 플레이트는 잉크 액적을 토출하는 잉크젯 프린트헤드 뿐만 아니라 유체를 토출하는 적어도 하나의 노즐을 가지는 다양한 유체 토출 시스템에도 적용될 수 있을 것이다. Meanwhile, the nozzle plate according to the present invention having the above-described configuration may be applied to various fluid ejection systems having at least one nozzle for ejecting a fluid as well as an inkjet printhead for ejecting ink droplets.
도 7은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 노즐 플레이트에 의해 높은 해상도의 화상을 인쇄하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a method of printing a high resolution image by the nozzle plate of the inkjet printhead according to the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드(100)에 다수의 노즐(150)을 소정의 CPI로 배열하고, 각 노즐(150)의 둘레에 배치된 히터(140)의 세그먼트들(141, 142)을 선택적으로 구동시켜 각 노즐(150)로부터 토출되는 잉크 액적의 방향을 변화시킨다. 그러면, 용지(400) 상에는 각 노즐(150)로부터 직진하는 도트들(402)과 각 노즐(150)로부터 편향되는 도트들(402, 403)이 소정 간격을 두고 하나의 라인 상에 형성된다. 따라서, 용지(400) 상에 형성되는 화상의 DPI는 프린트헤드(100)의 CPI에 비해 3배로 향상될 수 있는 것이다. Referring to FIG. 7, a plurality of
한편, 도 5b에 도시된 네 개의 세그먼트(141, 142, 143, 144)로 분할된 히터(140)를 가진 노즐 플레이트(100)에 의하면, 노즐(150)을 통해 토출되는 잉크 액적 의 방향을 보다 다양하게 변화시킬 수 있어서, 낮은 CPI를 가진 프린트헤드(100)에 의해서도 보다 높은 해상도를 가진 화상을 인쇄할 수 있다. Meanwhile, according to the
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명에 따른 노즐 플레이트의 제조 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a method of manufacturing a nozzle plate according to the present invention.
도 8a 내지 도 8f는 도 4에 도시된 본 발명에 따른 노즐 플레이트의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 단면도들이다. 이 도면들에서, 설명의 편의를 위해 히터와 전극이 형성되는 면이 상면이 되도록 노즐 플레이트가 도시되어 있다. 8A to 8F are cross-sectional views showing a method of manufacturing a nozzle plate according to the present invention shown in FIG. In these figures, the nozzle plate is shown so that the surface on which the heater and the electrode are formed is the upper surface for convenience of description.
도 8a를 참조하면, 먼저 기판(110)을 준비한 후, 그 기판(110) 상에 소정 패턴의 전극(120)을 형성한다. 구체적으로, 상기 기판(110)으로는 전술한 바와 같이 PCB용 베이스 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 PCB용 베이스 기판은 주로 폴리이미드로 이루어진다. 그리고, 상기 전극(120)은 상기 기판(110)의 상면 전체에 도전성이 우수한 금속, 예컨대 구리(Cu)를 소정 두께로 증착한 뒤, 이를 소정 패턴으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. Referring to FIG. 8A, first, a
다음으로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 상에 상기 전극(120)을 덮도록 제1 절연층(131)을 형성한다. 상기 제1 절연층(131)은 전극(120)의 절연과 함께 전극(120)을 보호하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 제1 절연층(131)은 기판(110)의 상면 전체에 PCB 제조 공정에서 널리 사용되는 PSR(Photo Solder Resist)을 도포함으로써 형성될 수 있다. Next, as shown in FIG. 8B, a first insulating
이어서, 도 8c에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 상면에 형성된 제1 절연층(131)을 패터닝하여 상기 전극(120)의 일부를 노출시키는 트렌치(133)를 형성한다. 이 때, 상기 제1 절연층(131)의 패터닝은 노광과 현상을 포함하는 알려진 포토리소그라피 공정에 의해 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 트렌치(133)는 노즐(도 8f의 150)이 형성될 부위의 둘레에 배치되도록 형성되며, 적어도 두 개의 부분으로 분할되도록 형성된다. Subsequently, as illustrated in FIG. 8C, the first insulating
다음으로, 도 8d에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(133) 내에 저항발열체, 예컨대 TaAl 또는 TaN을 증착하여 히터(140)를 형성한다. 이 때, 전술한 트렌치(133)의 형상에 따라, 상기 히터(140)는 적어도 두 개의 세그먼트로 분할되어 형성된다. Next, as shown in FIG. 8D, a resistance heating element such as TaAl or TaN is deposited in the
이어서, 도 8e에 도시된 바와 같이, 상기 제1 절연층(131) 위에 상기 히터(140)를 덮도록 제2 절연층(132)을 형성한다. 상기 제2 절연층(132)은 히터(140)의 절연과 함께 히터(140)를 보호하는 역할을 한다. 상기 제2 절연층(132)은 상기 제1 절연층(131)과 마찬가지로 PSR(Photo Solder Resist)을 도포함으로써 형성될 수 있다. Subsequently, as illustrated in FIG. 8E, a second insulating
마지막으로, 도 8f에 도시된 바와 같이, 상기 히터(140) 안쪽의 상기 기판(110), 제1 절연층(131) 및 제2 절연층(132)을 관통하도록 가공하여 노즐(150)을 형성함으로써, 본 발명에 따른 노즐 플레이트(100)를 완성한다. 이 때, 상기 노즐(150)은 상기 기판(110), 제1 절연층(131) 및 제2 절연층(132)을 레이저 가공 또는 드릴 가공함으로써 형성될 수 있다. Finally, as shown in FIG. 8F, the
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 노즐 플레이트(100)는 PCB용 베이스 기판(110)을 사용하여 PCB 제조 공정에 의해 제조될 수 있으므로, 그 공정이 단순하고 제조 비용이 적게 드는 장점이 있다. As described above, since the
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 노즐 플레이트는 잉크 액적을 토출하는 잉크젯 프린트헤드 뿐만 아니라 유체를 토출하는 노즐을 가지는 다양한 유체 토출 시스템에도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.While the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. For example, as described above, the nozzle plate according to the present invention can be applied to various fluid ejection systems having a nozzle for ejecting a fluid as well as an inkjet printhead for ejecting ink droplets. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 노즐 둘레에 마련된 히터에 의해 잉크의 표면장력을 조절함으로써 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 토출 방향을 여러 방향으로 제어할 수 있다. 따라서, 낮은 CPI를 가진 프린트헤드에 의해서도 높은 해상도를 가진 화상을 인쇄할 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, the discharge direction of the ink droplets discharged through the nozzle can be controlled in various directions by adjusting the surface tension of the ink by the heater provided around the nozzle. Therefore, there is an effect that a high resolution image can be printed even by a printhead having a low CPI.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 구비되는 히터는 잉크의 표면장력을 변화시킬 수 있는 정도, 예컨대 수십 ℃ 정도로 잉크를 가열하면 되므로, 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 구비되는 버블 발생용 히터에 비해 에너지 소모가 훨씬 적은 장점이 있다. In addition, since the heater provided in the inkjet printhead according to the present invention only needs to heat the ink to the extent that the surface tension of the ink can be changed, for example, several tens of degrees Celsius, the bubble generation for the inkjet printhead of the conventional thermal drive type inkjet printhead. The energy consumption is much lower than that of the heater.
그리고, 본 발명에 따른 노즐 플레이트는 PCB용 베이스 기판을 사용하여 용이하게 제작될 수 있으므로 제조 비용이 낮아지는 장점이 있다. In addition, the nozzle plate according to the present invention has an advantage of low manufacturing cost because it can be easily manufactured using a base substrate for the PCB.
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